We estimated the spontaneous mutation rate in Heliconius melpomene by genome sequencing of a pair of parents and 30 of their offspring, based on the ratio of number of de novo heterozygotes to the number of callable site-individuals. We detected nine new mutations, each one affecting a single site in a single offspring. This yields an estimated mutation rate of 2.9 × 10−9 (95% confidence interval, 1.3 × 10−9–5.5 × 10−9), which is similar to recent estimates in Drosophila melanogaster, the only other insect species in which the mutation rate has been directly estimated. We infer that recent effective population size of H. melpomene is about 2 million, a substantially lower value than its census size, suggesting a role for natural selection reducing diversity. We estimate that H. melpomene diverged from its Müllerian comimic H. erato about 6 Ma, a somewhat later date than estimates based on a local molecular clock.

Abstract Interferons (IFNs) play a crucial role in the regulation and evolution of host-virus interactions. Here, we conducted a genome-wide arrayed CRISPR knockout screen in the presence and absence of IFN to identify human genes that influence SARS-CoV-2 infection. We then performed an integrated analysis of genes interacting with SARS-CoV-2, drawing from a selection of 67 large-scale studies, including our own. We identified 28 genes of high relevance in both human genetic studies of COVID-19 patients and functional genetic screens in cell culture, with many related to the IFN pathway. Among these was the IFN-stimulated gene PLSCR1 . PLSCR1 did not require IFN induction to restrict SARS-CoV-2 and did not contribute to IFN signaling. Instead, PLSCR1 specifically restricted spike-mediated SARS-CoV-2 entry. The PLSCR1-mediated restriction was alleviated by TMPRSS2 over-expression, suggesting that PLSCR1 primarily restricts the endocytic entry route. In addition, recent SARS-CoV-2 variants have adapted to circumvent the PLSCR1 barrier via currently undetermined mechanisms. Finally, we investigate the functional effects of PLSCR1 variants present in humans and discuss an association between PLSCR1 and severe COVID-19 reported recently.

The wine yeast, Saccharomyces cerevisiae, is the best understood microbial eukaryote at the molecular and cellular level, yet its natural geographic distribution is unknown. Here we report the results of a field survey for S. cerevisiae, S. paradoxus and other budding yeast on oak trees in Europe. We show that yeast species differ in their geographic distributions, and investigated which ecological variables can predict the isolation rate of S. paradoxus, the most abundant species. We find a positive association between trunk girth and S. paradoxus abundance suggesting that older trees harbour more yeast. S. paradoxus isolation frequency is also associated with summer temperature, showing highest isolation rates at intermediate temperatures. Using our statistical model, we estimated a range of summer temperatures at which we expect high S. paradoxus isolation rates, and show that the geographic distribution predicted by this optimum temperature range is consistent with the worldwide distribution of sites where S. paradoxus has been isolated. Using laboratory estimates of optimal growth temperatures for S. cerevisiae relative to S. paradoxus, we also estimated an optimum range of summer temperatures for S. cerevisiae. The geographical distribution of these optimum temperatures are consistent with the locations where wild S. cerevisiae have been reported, and can explain why only human-associated S. cerevisiae strains are isolated at northernmost latitudes. Our results provide a starting point for targeted isolation of S. cerevisiae from natural habitats, which could lead to a better understanding of climate associations and natural history in this important model microbe.

Terpenes, a group of structurally diverse compounds, are the biggest class of secondary metabolites. While the biosynthesis of terpenes by enzymes known as terpene synthases (TPSs) has been described in plants and microorganisms, few TPSs have been identified in insects, despite the presence of terpenes in multiple insect species. Indeed, in many insect species, it remains unclear whether terpenes are sequestered from plants or biosynthesised de novo. No homologs of plant TPSs have been found in insect genomes, though insect TPSs with an independent evolutionary origin have been found in Hemiptera and Coleoptera. In the butterfly Heliconius melpomene , the monoterpene ( E )-β-ocimene acts as an anti-aphrodisiac pheromone, where it is transferred during mating from males to females to avoid re-mating by deterring males. To date only one insect monoterpene synthase has been described, in Ips pini (Coleoptera), and is a multifunctional TPS and isoprenyl diphosphate synthase (IDS). Here, we combine linkage mapping and expression studies to identify candidate genes involved in the biosynthesis of ( E )-β-ocimene. We confirm that H. melpomene has two enzymes that exhibit TPS activity, and one of these, HMEL037106g1 is able to synthesise ( E )-β-ocimene in vitro. Unlike the enzyme in Ips pini , these enzymes only exhibit residual IDS activity, suggesting they are more specialised TPSs, akin to those found in plants. Phylogenetic analysis shows that these enzymes are unrelated to previously described plant and insect TPSs. The distinct evolutionary origin of TPSs in Lepidoptera suggests that they have evolved multiple times in insects.

Predicting how species will respond to selection pressures requires understanding the factors that constrain their evolution. We use genome engineering of Drosophila to investigate constraints on the repeated evolution of unrelated herbivorous insects to toxic cardiac glycosides, which primarily occurs via a small subset of possible functionally-relevant substitutions to Na+,K+-ATPase. Surprisingly, we find that frequently observed adaptive substitutions at two sites, 111 and 122, are lethal when homozygous and adult heterozygotes exhibit dominant neural dysfunction. We identify a phylogenetically correlated substitution, A119S, that partially ameliorates the deleterious effects of substitutions at 111 and 122. Despite contributing little to cardiac glycoside-insensitivity in vitro , A119S, like substitutions at 111 and 122, substantially increases adult survivorship upon cardiac glycoside exposure. Our results demonstrate the importance of epistasis in constraining adaptive paths. Moreover, by revealing distinct effects of substitutions in vitro and in vivo , our results underscore the importance of evaluating the fitness of adaptive substitutions and their interactions in whole organisms.

Abstract Sex chromosomes have different evolutionary properties as compared to the autosomes due to their hemizygous nature. In particular, recessive mutations are more readily exposed to selection, which can lead to faster rates of molecular evolution. Here, we report patterns of gene expression and molecular evolution in the sex chromosomes of a group of tropical butterflies. We first improved the completeness of the Heliconius melpomene reference annotation, a neotropical butterfly with a ZW sex determination system. Then we sequenced RNA from male and female whole abdomens and female ovary and gut tissue to identify sex and tissue specific gene expression profiles in H. melpomene . Using these expression profiles we compare sequence divergence and polymorphism, the strength of positive and negative selection and rates of adaptive evolution for Z and autosomal genes between two species of Heliconius butterflies, H. melpomene and H. erato . We show that the rate of adaptive substitutions is higher for Z as compared to autosomal genes, but contrary to expectation it is also higher for male as compared to female biased genes. There is therefore mixed evidence that hemizygosity influences the rate of adaptive substitutions. Additionally, we find no significant increase in the rate of adaptive evolution or purifying selection on genes expressed in ovary tissue, a heterogametic specific tissue. Together our results provide limited support for fast-Z evolution. This contributes to a growing body of literature from other ZW systems that also provide mixed evidence for a fast-Z effect.

Mechanisms that suppress recombination are known to help maintain species barriers by preventing the breakup of co-adapted gene combinations. The sympatric butterfly species H. melpomene and H. cydno are separated by many strong barriers, but the species still hybridise infrequently in the wild, with around 40% of the genome influenced by introgression. We tested the hypothesis that genetic barriers between the species are reinforced by inversions or other mechanisms to reduce between-species recombination rate. We constructed fine-scale recombination maps for Panamanian populations of both species and hybrids to directly measure recombination rate between these species, and generated long sequence reads to detect inversions. We find no evidence for a systematic reduction in recombination rates in F1 hybrids, and also no evidence for inversions longer than 50 kb that might be involved in generating or maintaining species barriers. This suggests that mechanisms leading to global or local reduction in recombination do not play a significant role in the maintenance of species barriers between H. melpomene and H. cydno.